基于主動偏航側(cè)風(fēng)控制的風(fēng)電機組防飛車方法研究*

　　

　　文 | 李力森，王文鋒，王傳璽，李暉，蔡安民，張林偉，林偉榮

　　

　　隨著風(fēng)電機組運行年限的增加，機組各部件容易出現(xiàn)老化、松動、磨損等現(xiàn)象，導(dǎo)致風(fēng)電機組變槳系統(tǒng)失效。當(dāng)來流風(fēng)速較高時，變槳系統(tǒng)無法及時控制葉片正?；貥D(zhuǎn)速無法及時降低，可能會導(dǎo)致嚴重的超速飛車事故。飛車事故輕則造成機組葉片、變槳系統(tǒng)等大部件損壞，重則發(fā)生機組螺栓斷裂、主機架變形、發(fā)電機與齒輪箱損毀、葉片折斷及葉片掃塔，甚至引發(fā)火災(zāi)、機組倒塔乃至人身傷亡事故，因此，風(fēng)電機組超速飛車是風(fēng)電場必須嚴防死守的。

　　

　　造成風(fēng)電機組飛車事故的原因眾多，其中，變槳系統(tǒng)故障是主要的原因之一。如某風(fēng)電場發(fā)生機組飛車倒塔事故時風(fēng)速超過15m/s，事發(fā)后經(jīng)現(xiàn)場勘察發(fā)現(xiàn)3支葉片均在0°位置未順槳1。針對風(fēng)電機組變槳系統(tǒng)的故障預(yù)警與控制優(yōu)化是常用的防飛車方案，當(dāng)前已經(jīng)開展了較多的相關(guān)研究工作。例如，文獻2基于SCADA運行數(shù)據(jù)構(gòu)建支持向量回歸的變槳系統(tǒng)故障預(yù)警模型，提取變槳系統(tǒng)故障特征向量，實現(xiàn)變槳系統(tǒng)故障的提前預(yù)警；文獻3提出對現(xiàn)場機組的主軸制動器、變槳系統(tǒng)等進行安全故障分析，重點排除安全隱患，防止安全事故發(fā)生。

　　

　　基于故障診斷的方法對風(fēng)電機組變槳控制系統(tǒng)等部件進行監(jiān)測維護雖是行之有效的手段，但由于引發(fā)飛車事故原因的復(fù)雜性，該方法并不能徹底杜絕此類安全事故的發(fā)生。因此，本文提出一種基于風(fēng)電機組主動偏航側(cè)風(fēng)控制的防飛車方法，將發(fā)電機轉(zhuǎn)速作為主控系統(tǒng)輸入信號，當(dāng)主控系統(tǒng)監(jiān)測到發(fā)電機轉(zhuǎn)速超限達到一定條件時，控制機組偏航至90°側(cè)風(fēng)位置，從而及時降低葉輪轉(zhuǎn)速；通過軟件仿真對所提方法的有效性進行驗證，并以機組在運行過程中的轉(zhuǎn)速和載荷為指標(biāo)對方法進行優(yōu)化。

 

 

　　風(fēng)電機組安全鏈由一系列重要的監(jiān)控繼電器開關(guān)節(jié)點串聯(lián)，包括手動觸發(fā)急停按鈕、扭纜偏航極限開關(guān)、機組超速模塊開關(guān)、機艙振動開關(guān)及主控內(nèi)部安全鏈開關(guān)等。在控制邏輯上，安全鏈系統(tǒng)的優(yōu)先級高于風(fēng)電機組主控系統(tǒng)，目的是確保風(fēng)電設(shè)備在出現(xiàn)故障時優(yōu)先保障安全。一旦觸發(fā)了安全鏈上某個節(jié)點的動作，將引起整條回路斷電，機組立刻緊急停機。如果故障節(jié)點得不到恢復(fù)，整個機組的運行操作都不能實現(xiàn)。因此，安全鏈是確保風(fēng)電機組安全的重要措施。以本文所研究的風(fēng)電機組事故——風(fēng)電機組超速飛車為例，當(dāng)機組正常運行時，主軸超速模塊和發(fā)電機超速模塊的開關(guān)閉合，在風(fēng)電機組觸發(fā)設(shè)定的超速閾值NA后，超速模塊開關(guān)斷開，機組安全鏈斷開，機組將快速順槳緊急停機。但變槳系統(tǒng)故障可能導(dǎo)致機組無法及時順槳，機組轉(zhuǎn)速將進一步上升。為防止發(fā)生飛車事故，當(dāng)機組轉(zhuǎn)速觸發(fā)到預(yù)先設(shè)定的閾值時，將啟動主動偏航側(cè)風(fēng)功能，使機艙旋轉(zhuǎn)并停止于與風(fēng)向夾角約為90°的位置，葉輪垂直來流風(fēng)速方向不再吸收風(fēng)能，從而有效降低風(fēng)電機組葉輪轉(zhuǎn)速。

　　

　　主動偏航側(cè)風(fēng)是防止機組超速飛車的最后一道“防線”，在這種應(yīng)急控制策略中，一旦機組執(zhí)行了主動偏航側(cè)風(fēng)，需要本地手動執(zhí)行復(fù)位機組才能再次啟動運行，最大程度地降低了超速飛車事故的風(fēng)險。

 

　　風(fēng)電機組在運行過程中，風(fēng)況復(fù)雜多變，難以保證機艙方向與入流風(fēng)向?qū)崟r保持一致，因此，機艙方向與入流風(fēng)向之間通常存在對風(fēng)偏差。相關(guān)研究資料4顯示，僅4°的對風(fēng)偏差就會造成風(fēng)電機組輸出功率下降約1.13%。增大對風(fēng)偏差可以有效降低葉輪轉(zhuǎn)速，本文從主動偏航控制的角度出發(fā)，當(dāng)機組轉(zhuǎn)速過高且變槳系統(tǒng)失效不能控制葉片順槳時，令機組偏航系統(tǒng)主動偏轉(zhuǎn)側(cè)風(fēng)，實現(xiàn)降低風(fēng)電機組轉(zhuǎn)速的控制目標(biāo)。

　　

　　

　　偏航控制系統(tǒng)是實現(xiàn)風(fēng)電機組對風(fēng)的執(zhí)行機構(gòu)，是水平軸風(fēng)電機組不可或缺的關(guān)鍵部件，其在控制風(fēng)電機組以更高的效率將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機械能的過程中，起到了至關(guān)重要的作用。

　　機組正常發(fā)電時的偏航控制策略如圖2所示。以當(dāng)前風(fēng)向與測得機艙位置為輸入信號，將二者的差值作為對風(fēng)偏差，經(jīng)低通濾波器送入主控PLC中，PLC根據(jù)主控邏輯，判斷對風(fēng)偏差是否滿足啟動條件，若滿足則偏航啟動，執(zhí)行偏航動作直到滿足要求。

　　

　　在此基礎(chǔ)上，為偏航控制系統(tǒng)增加主動偏航側(cè)風(fēng)功能。

　　主動偏航控制工作原理如圖3所示，主要包括：

　　

　?。?）增加一套轉(zhuǎn)速監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)主控系統(tǒng)對發(fā)電機轉(zhuǎn)速的冗余監(jiān)測，可防止主控系統(tǒng)誤判。

　　

　　（2）當(dāng)主控監(jiān)測到發(fā)電機轉(zhuǎn)速超過2300rpm（根據(jù)需要可設(shè)置不同閾值）且持續(xù)3s時，觸發(fā)主動偏航側(cè)風(fēng)控制。

　　

　?。?）主動偏航控制器向偏航電機下發(fā)指令，控制機艙以順時針方向偏轉(zhuǎn)。

　　

　?。?）當(dāng)主控監(jiān)測到發(fā)電機轉(zhuǎn)速降至500rpm（根據(jù)需要可設(shè)置不同閾值）以下，或偏航持續(xù)時間達到預(yù)設(shè)的閾值時，新增繼電器失電，偏航停止。

　　

　?。?）原系統(tǒng)中如安全鏈斷開偏航系統(tǒng)將失去供電不能再啟動，將偏航系統(tǒng)的供電線從安全鏈的繼電器上拆掉后直接短接，使得偏航控制不再受安全鏈斷開的影響，當(dāng)機組超速到NA時，安全鏈將斷開，如此時仍不能停機繼續(xù)超速，則觸發(fā)主動偏航側(cè)風(fēng)功能。由于硬件安全鏈斷開后不可自動復(fù)位，因此，側(cè)風(fēng)偏航動作后必須復(fù)位硬件安全鏈才能啟機。

　　

　　

　　本文基于某1.5MW風(fēng)電機組模型，以實物PLC作為主動偏航控制的控制器，通過設(shè)置卡槳模擬變槳系統(tǒng)故障，對主動偏航控制工況進行模擬仿真。

　　

　　主動偏航側(cè)風(fēng)控制策略與機組原有的偏航控制相互獨立，而主動偏航側(cè)風(fēng)具有更高的優(yōu)先級，即當(dāng)控制系統(tǒng)檢測到風(fēng)電機組轉(zhuǎn)速超過設(shè)定條件時，立刻切換到主動偏航側(cè)風(fēng)，及時防止機組超速飛車事故的發(fā)生。

　　

　　風(fēng)電機組在正常發(fā)電運行狀態(tài)下，當(dāng)在額定功率以下時以轉(zhuǎn)矩控制為主，當(dāng)發(fā)電功率接近額定值時啟動變槳，控制機組葉片順槳，使功率穩(wěn)定在額定功率附近，如圖4所示。在風(fēng)速逐漸升高的過程中，如果變槳系統(tǒng)因故障不能順槳，隨著風(fēng)速的增加機組發(fā)電機轉(zhuǎn)速會進一步升高并超過額定值，將產(chǎn)生飛車風(fēng)險。

　　圖4中，設(shè)置初始風(fēng)速為8m/s，在開始仿真20s后風(fēng)速逐漸增大至13m/s。風(fēng)速變化過程中，限制槳距角為0°模擬卡槳故障，發(fā)電機轉(zhuǎn)速在超越額定值1800rpm后不斷升高，出現(xiàn)超速現(xiàn)象。當(dāng)轉(zhuǎn)速超過2300rpm時，啟動主動偏航側(cè)風(fēng)控制，令機組沿順時針方向偏航從而回避入流風(fēng)向，直至發(fā)電機轉(zhuǎn)速降至500rpm以下或偏航執(zhí)行90°以后停止，該過程如圖5所示。

　　根據(jù)仿真結(jié)果可知，在發(fā)電機轉(zhuǎn)速過高觸發(fā)主動偏航側(cè)風(fēng)功能后，葉輪轉(zhuǎn)速會在繼續(xù)升高到接近2500rpm后開始降低，經(jīng)過約200s后，葉輪轉(zhuǎn)速可以降低到500rpm左右。因此，以側(cè)風(fēng)為目的主動偏航控制能夠?qū)崿F(xiàn)在轉(zhuǎn)速過高時快速降低發(fā)電機轉(zhuǎn)速至安全范圍內(nèi)，可有效防止風(fēng)電機組超速飛車事故的發(fā)生。

 

 

　　風(fēng)電機組在正常運行時，或多或少都會存在對風(fēng)偏差，對風(fēng)偏差對機組發(fā)電功率和載荷均會產(chǎn)生影響。當(dāng)機組需要主動偏航側(cè)風(fēng)時，需基于當(dāng)前運行狀態(tài)的對風(fēng)偏差，確定最優(yōu)的偏航方向，以達到快速降低葉輪轉(zhuǎn)速，并使偏航過程中載荷沖擊較小。因此，本節(jié)主要探討不同偏航方向?qū)C組的功率、轉(zhuǎn)速及載荷的影響。

　　

　　

　　規(guī)定機組朝向正北方時為0°、正東為90°、正西為-90°，由北向東為正偏（順時針方向），由北向西則為反偏（逆時針方向），如圖6所示。

　　首先，設(shè)置入流風(fēng)向與機艙方向夾角θ為＋8°，機艙初始方位朝向正北；限制變槳角度保持0°模擬卡槳故障，發(fā)電機轉(zhuǎn)速為2300rpm。機組啟動主動偏航側(cè)風(fēng)，分別使機艙沿正反方向旋轉(zhuǎn)至與入流風(fēng)向夾角為90°的方位。仿真得到的機組功率變化與轉(zhuǎn)速變化如圖7所示。

　　根據(jù)圖7，在存在+8°對風(fēng)偏差的情況下，機組反偏時功率與轉(zhuǎn)速下降更快。若入流風(fēng)向保持不變，則機組反偏82°時已實現(xiàn)機艙與入流風(fēng)向偏差90°，且從圖中可以明顯看出，反偏時機組更早實現(xiàn)發(fā)電機轉(zhuǎn)速小于500rpm的目標(biāo)；而正偏時，機組偏航反而會先實現(xiàn)正對入流風(fēng)，這就導(dǎo)致轉(zhuǎn)速與功率在最初的50s不降反升。實際情況下，機組啟動主動偏航側(cè)風(fēng)說明發(fā)電機轉(zhuǎn)速已經(jīng)超速，若因執(zhí)行主動偏航導(dǎo)致轉(zhuǎn)速進一步提高，會大大增加飛車事故的發(fā)生風(fēng)險，反而得不償失。因此，由圖7可以得出初步結(jié)論，在機組偏航過程中，不同的偏航方向?qū)C組的動態(tài)運行過程有著不同的影響。

　　

　　

　　對以上定義的各工況進行載荷仿真，得出葉根載荷及發(fā)電機轉(zhuǎn)矩，具體結(jié)果見圖8—10。

 

　　根據(jù)仿真結(jié)果，當(dāng)對風(fēng)偏差為正值時，機組反偏相對正偏受到的載荷沖擊小，反之亦然，這一點與上一節(jié)中對功率與轉(zhuǎn)速的仿真結(jié)論一致。在存在對風(fēng)偏差的情況下，當(dāng)主動偏航側(cè)風(fēng)啟動時，若風(fēng)電機組主動偏航的方向與對風(fēng)偏差方向相反，能夠使機組的功率與轉(zhuǎn)速更加快速地降至目標(biāo)水平，同時機組的氣動載荷與發(fā)電機轉(zhuǎn)矩也有更明顯的下降趨勢。

　　

　　為了進一步量化載荷差異，分別計算各組工況下的載荷均值，計算結(jié)果見表1。

　　從表中數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)風(fēng)電機組需要執(zhí)行主動偏航側(cè)風(fēng)時，采用的偏航方向策略，對載荷有非常大的影響。若初始對風(fēng)偏差角度為正，機組沿正偏方向主動偏航側(cè)風(fēng)，整個過程中不僅轉(zhuǎn)速的下降相對緩慢，對應(yīng)的葉片載荷和發(fā)電機轉(zhuǎn)矩也較大，載荷相差甚至在50%以上，反之亦然。

　　

　　

　　主動偏航側(cè)風(fēng)功能的目標(biāo)是使機組旋轉(zhuǎn)到對風(fēng)偏差為90°的位置，但由于初始對風(fēng)偏差的存在，采用順時針偏航或逆時針偏航，將會導(dǎo)致偏航動作運行的角度和持續(xù)時間不同，因此，原策略中執(zhí)行的單一偏航方向有待優(yōu)化。此外，原策略中將偏航持續(xù)時間或偏航旋轉(zhuǎn)角度作為主動偏航側(cè)風(fēng)動作停止的判斷條件，精準度不夠，也有待優(yōu)化。

　　

　　基于上述分析，對風(fēng)電機組主動偏航控制策略作出如下優(yōu)化：

　　

　　（1）將測風(fēng)裝置與機艙位置傳感器的反饋信號同時引入主控的偏航側(cè)風(fēng)控制邏輯，計算當(dāng)前的對風(fēng)偏差角度。

　　

　　（2）當(dāng)系統(tǒng)檢測到發(fā)電機轉(zhuǎn)速高于2300rpm（根據(jù)需要可設(shè)置不同閾值）且持續(xù)3s時，將啟動主動偏航側(cè)風(fēng)功能。

　　

　?。?）判斷當(dāng)前對風(fēng)偏差角度：若為正值，偏航控制系統(tǒng)反偏標(biāo)志位為真，機艙沿逆時針方向旋轉(zhuǎn)偏航；若為負值，偏航控制系統(tǒng)正偏標(biāo)志位為真，機艙沿順時針方向旋轉(zhuǎn)偏航。

　　

　　（4）當(dāng)對風(fēng)偏差達到90°或發(fā)電機轉(zhuǎn)速下降到500rpm以下，主動偏航側(cè)風(fēng)功能停止。

　　優(yōu)化后的主動偏航控制策略原理如圖11所示。優(yōu)化后的主動偏航側(cè)風(fēng)控制策略，綜合考慮了運行過程中快速降低葉輪轉(zhuǎn)速、載荷沖擊小等因素，優(yōu)化了偏航方向的選擇和偏航停止的判斷條件。與優(yōu)化前的控制策略相比，優(yōu)化后的策略能夠更快速地降低葉輪轉(zhuǎn)速，整個偏航過程中機組承受的載荷沖擊也較小，更快速地使機組到達90°側(cè)風(fēng)的目標(biāo)位置。

 

 

　　本文針對現(xiàn)役風(fēng)電機組中存在的超速飛車事故風(fēng)險，提出了主動偏航側(cè)風(fēng)控制的機組防飛車方法，并通過運行仿真證實了該方法的有效性?；诜抡娼Y(jié)果，并以葉輪轉(zhuǎn)速快速降低、載荷沖擊小為目標(biāo)，提出了優(yōu)化的主動偏航側(cè)風(fēng)控制策略，新策略中引入了對風(fēng)偏差角度變量作為偏航動作方向和偏航動作停止的判斷條件，優(yōu)化了控制邏輯。與優(yōu)化前的控制策略相比，優(yōu)化后的策略能夠更快速地降低葉輪轉(zhuǎn)速，整個偏航過程中機組承受的載荷沖擊也較小，更快速地使機組到達90°側(cè)風(fēng)的目標(biāo)位置，達到避免機組飛車的目的。

　　

　?。ㄗ髡邌挝唬豪盍ι?，王傳璽，蔡安民，張林偉，林偉榮：中國華能集團清潔能源技術(shù)研究院有限公司；王文鋒，李暉：華能新能源股份有限公司山東分公司）

　　

　　

　　* 中國華能集團有限公司總部科技項目（HNKJ21-HF163）

　　

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